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Tesi etd-06122018-042902


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
CERAUDO, FEDERIGO
URN
etd-06122018-042902
Title
Aumento dell'efficienza di raffreddamento nel cristallo LiYF4 co-drogato Yb-Tm
Struttura
FISICA
Corso di studi
FISICA
Commissione
relatore Prof. Tonelli, Mauro
relatore Prof. Di Lieto, Alberto
Parole chiave
  • laser cooling
  • raffreddamento ottico
  • LiYF4
  • YLF
Data inizio appello
19/07/2018;
Consultabilità
completa
Riassunto analitico
In questo lavoro di tesi sono presenti tutte le fasi per la realizzazione e studio del cristallo LiYF4 (YLF) drogato con Itterbio (Yb) e Tulio (Tm), a partire dalla crescita, taglio, orientazione fino a giungere alla caratterizzazione in termini di efficienza di cooling. Inoltre, viene fornita una prova sperimentale che il Tulio costituisca un valido supporto al processo di cooling determinando un redshift e un innalzamento della curva \eta_{cool}.<br>Facciamo un passo indietro per introdurre brevemente gli strumenti per comprendere gli obiettivi raggiunti. <br>Il raffreddamento ottico di cristalli si basa sul fenomeno della fluorescenza anti-Stokes, e i primi a dimostrare che si potesse realizzare sperimentalmente furono Epstein e i suoi collaboratori nel 1995. A partire da tale data si sono susseguiti numerosi esperimenti che hanno portato alla creazione di un solid-state cryocooler basato su un cristallo YLF: 10% Yb in grado di raggiungere la temperatura record di 93 K.<br>Entrando nel merito è possibile formalizzare la teoria del raffreddamento ottico attraverso un modello a due livelli. Lo ione Yb3+ all’interno della matrice cristallina YLF presenta due manifold con i relativi sotto-livelli Stark, etichettatti da E1 a E7, originati dall’interazione col campo cristallino (spiegazione nel capitolo 1). Si immagini di avere a disposizione un sistema di pompaggio ottico; la radiazione incidente sintonizzata con il salto E4-E5 promuove un elettrone al sotto-livello E5 del manifold {_^2}F_\sfrac{5}{2} che per mezzo dell’assistenza fononica raggiunge il livello E6 per poi decadere radiativamente fino al livello E2 del manifold {_^2}F_\sfrac{7}{2}. In base a questo schema l’energia posseduta dal fotone emesso è maggiore dell’energia del fotone incidente; l’energia mancante proviene dal cristallo, dai fononi, comportando così il raffreddamento del campione. Reiterando il ciclo suddetto il campione si raffredda sempre di più fino a raggiungere uno stato stazionario con temperatura finale T_f. Siamo pronti quindi a definire l’efficienza di cooling, essa è il rapporto fra la potenza di cooling (data dalla differenza di energia incidente e uscente dal campione) e la potenza assorbita dal campione. La scrittura di tale formula passa attraverso le ipotesi per le quali il carico conduttivo e convettivo siano trascurabili. Sperimentalmente si traduce nell’adottare una camera da vuoto e un supporto, fibre ottiche, a bassa conducibilità termica. Tutti gli ulteriori dettagli sull’apparato sperimentale sono illustrati nei capitoli 4 e 6 della tesi. Quanto detto finora è vero per campioni che presentano ben precise caratteristiche spettroscopiche perciò una parte del lavoro di tesi è volto alla caratterizzazione del materiale cresciuto, in particolare i campioni realizzati e studiati sono tre: <br> YLF: 10% Yb<br> YLF: 10% Yb-40ppm Tm <br> YLF: 10% Yb-100ppm Tm<br>Una volta ottenuta la curva dell’efficienza di cooling, primo obiettivo del lavoro di tesi, si è passati al secondo obiettivo, ossia lo studio dei meccanismi cooperativi fra Tm e Yb fornendo una prova sperimentale di come vengono popolati i livelli del Tulio relativi al processo di cooling. Il co-drogaggio comporta un redshift e allo stesso tempo l’innalzamento della curva di efficienza del 30%. <br>I tre campioni sono stati cresciuti nei laboratori di Pisa, New Materials for Laser Applications (NMLA); la crescita è stata impostata seguendo il metodo Czochralski, illustrato insieme al funzionamento del forno nel capitolo 3 della tesi. <br>In ultima analisi si riportano i principali motivi d’interesse legati allo sviluppo e avanzamento del laser cooling: <br> Il sistema è vibration-free, non ci sono parti meccaniche in movimento<br> Bassa suscettibilità a interferenze elettromagnetiche<br> Tempo di vita superiore a {10}^4 anni (per il cristallo)<br> Compattezza della cavità <br> Ottimo sostituto dei TEC nell’intervallo di temperature fra 80K e 180K<br>Tutte le caratteristiche citate sono particolarmente appetibili per applicazioni spaziali. La sfida attuale resta quella di superare la barriera degli 80K. <br>Infine, l’organizzazione dei capitoli rispecchia le fasi di realizzazione e studio del campione, in particolare nel capitolo 1 vengono presentati tutti gli aspetti teorici d’interesse al cooling in merito alle terre rare; nel capitolo 2 si ha la teoria del raffreddamento ottico di cristalli, fulcro del lavoro di tesi. Nel capitolo 3 viene presentata la tecnica di crescita e la preparazione dei campioni. Il capitolo 4 è dedicato alla descrizione dell’apparato sperimentale e infine nei capitoli 5 e 6 vengono presentati ed elaborati i risultati delle misure spettroscopiche, di cooling e di modulazione. <br>
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